Conception d'un actionneur à aimants permanents à faibles

268 Pages·2005·6.92 MB·French

N° d’ordre : 2159 Année 2004

THÈSE

présentée
pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique

par

Laurent GASC

Ingénieur ENI de Tarbes
DEA Systèmes Automatiques – Maître ès sciences Mécanique

Conception d’un actionneur à aimants

permanents à faibles ondulations de couple

pour assistance de direction automobile

Approches par la structure et par la commande

Soutenue le 15 novembre 2004 devant le jury composé de :

MM. J-P. HAUTIER Président, Rapporteur
G. FRIEDRICH Rapporteur
R. TRIGUI Examinateur
L. CALEGARI Examinateur
M. FADEL Directeur de thèse
S. ASTIER Co – Directeur de thèse

Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche du CNRS n°5828

RESUME

Cette étude cofinancée par la société RENAULT et le CNRS porte sur la conception d’un
actionneur à aimants permanents pour assistance de direction automobile.
L’analyse du cahier des charges montre la nécessité d’obtenir un moteur à très faibles
ondulations de couple. La réduction des ondulations de couple est traitée de deux façons : une
première action consiste à concevoir la structure du moteur et une seconde à compenser les
ondulations de couple par une loi de la commande adéquate.
Concernant le dimensionnement du moteur, une étude du système mécanique a permis
d’expliciter le lien entre la raideur du capteur de couple intégré à la colonne de direction et
l’inertie du moteur ramenée au volant. Cette contrainte inertielle associée à une température
ambiante élevée constituent des points forts du dimensionnement pour un encombrement
donné. Il est montré que le choix d’un capteur de couple à raideur élevée permet de réduire
ces contraintes de dimensionnement en réduisant la contrainte inertielle. Un modèle
électromagnétique analytique et un modèle thermique couplés ont été développés et exploités
suivant une méthodologie définie par la spécificité du cahier des charges. L’étude des
différentes techniques de minimisation des ondulations de couple et la caractérisation
électromagnétique ont été menées par calcul des champs avec FLUX2D™. Une solution
basée sur une structure à nombre fractionnaire d’encoche par pôle et par phase et un bobinage
original est proposée. La réalisation d’un prototype et les essais réalisés ont permis de valider
certains aspects de ce dimensionnement.
Concernant la minimisation des ondulations de couple par la commande, des modèles de
simulation sous Simulink intégrant les ondulations de couple définis à partir des calculs de
champs ont été développés. Différentes structures d’observateurs de couple avec prise en
compte des ondulations de couple sont présentées et comparées. Une structure originale basée
sur un filtre de Kalman associé à un observateur de couple de type Luenberger est mise à jour.
Cette structure permet un autopilotage sans capteur de position tout en réduisant fortement les
ondulations de couple. Une loi de commande par retour d’état et une structure RST associées
à un observateur de couple ont été implantées sur un banc mécanique conçu et instrumenté
dans le but de reproduire le fonctionnement du système de direction assistée électrique.

Mots clés :
Direction assistée automobile, Moteur à aimants permanents, Ondulations de couple,
FLUX2D, Contrôle en position, Observateur de couple, Modélisation, Compensation active.

ABSTRACT

This study relates to the design of permanent magnet actuator for automotive electric steering
assistance and has been supported by the CNRS and RENAULT.
The analysis of the specification schedule for automotive electric power steering reveals the
need of a very low motor torque ripple. The minimisation of the torque ripple is treated
according two ways : a first action consists in optimising the motor design and a second one
in compensating the torque ripple by a control law.
Concerning the design, a study of the mechanical system links the torque sensor stiffness,
integrated into the steering column, to the motor inertia brought back to the steering wheel.
The low inertia and the high ambient temperature constitute strong constraints of design for a
given size. Increasing the shaft stiffness reduces the constraints of design. Analytical
electromagnetic and thermal models have been coupled and exploited according to a
methodology defined by the specificity of the problem. Finite Element Analysis FLUX2D™
is used so as to validate the analytical design and to study torque ripple techniques. A solution
based on a structure with a fractional slot number and an original winding is proposed. The
realisation and the tests of a prototype have validated some aspects of the design.
In order to minimise the torque ripple by control laws, simulation models under Simulink
were developed. They integrate the torque ripple which has been determined by Finite
Element Analysis. Several observer structures taking into account the torque ripple are
presented and compared. An original structure based on a Kalman’s filter coupled to a load
torque observer based on Luenberger’s theory is updated. This structure enables to manage
the control without position encoder while strongly reducing the torque ripple. A state
feedback structure and a RST controller combined with load torque compensation were
implemented on an experimental set-up designed and instrumented with the aim of
reproducing the system of electric power-assisted steering.

Keywords :
Automobile power steering, Permanent magnet motors, Ripple torque, Finite Element
Analysis, Position control, Torque observer, Model, Active compensation.

AVANT-PROPOS

Ces travaux de recherche se sont déroulés au Laboratoire d’Electrotechnique et
d’Electronique Industrielle (LEEI) de l’ENSEEIHT. Ils s’inscrivent dans le cadre d’une
collaboration entre le LEEI et RENAULT par le financement d’une bourse BDI.

Tout d’abord, je tiens à remercier M. Yvon CHERON, directeur du LEEI pour m’avoir
accueilli au sein de sa structure.
J’adresse également mes remerciements aux différentes personnes qui ont accepté d’être
membres du jury de thèse :

- M. Jean Paul HAUTIER, Professeur à l’ENSAM de Lille et Directeur du Laboratoire
d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, pour m’avoir fait l’honneur de
présider ce jury et d’avoir scrupuleusement relu le mémoire en tant que rapporteur.

- M. Guy FRIEDRICH, Professeur et Directeur du laboratoire d’Electromécanique à
l’Université de Technologie de Compiègne, pour avoir accepté d’être rapporteur de ce
mémoire et pour ses différentes remarques constructives.

- M. Rochdi TRIGUI, Chargé de recherche à l’INRETS, pour avoir bien voulu examiner ce
travail.

- M. Lionel CALEGARI, Ingénieur à la Direction de la Recherche à RENAULT, pour les
différents échanges que nous avons eu tant sur le plan scientifique que sur le plan humain
durant ces années de thèse.

- M. Maurice FADEL, Professeur à l’ENSEEIHT et responsable du groupe ‘Commande et
Diagnostic de Systèmes Electriques’ au LEEI, pour avoir encadré mes travaux et pour la
confiance qu’il m’a témoignée tout au long de ces années, tant dans le domaine de la
recherche que des enseignements.

- M. Stéphan ASTIER, Professeur à l’ENSEEIHT pour avoir accepté de codiriger ces travaux,
ainsi que pour sa gentillesse, son expérience et les encouragements qu’il m’a apportés durant
la thèse.
Je voudrais également associer à ces remerciements tout le personnel du LEEI, les différents
permanents et thésards que j’ai côtoyés, et plus particulièrement :

à Nicolas ROUX et Rémi SAISSET (dit ‘asticot’) pour leur soutien. Merci encore à
Rémi SAISSET pour la bonne ambiance qu’il a fait régner dans le bureau et pour tous
les autres moments et notamment pendant les féria de Bayonne : ‘tu me fais rêver’,
à Régis RUELLAND et Guillaume GATEAU pour leur aide en informatique
industrielle. Pour remercier Guillaume, je suis heureux de rappeler nos temps effectués
au semi marathon de Toulouse (06/2004) soit 1 h 47 et 2 h 17. Pour son image de
grand sportif, je ne préciserai pas le temps de chacun…
à Stéphane CAUX pour sa disponibilité et ces conseils durant toutes ces années.

J’ai également une pensée pour tous mes amis qui m’ont soutenu durant ces années. Je
remercie notamment Marie-Line Fabrigoule.

Je finis ces remerciements par mes parents. Ils m’ont toujours soutenu tout au long de mes
études. Je leur dois beaucoup. Qu’ils trouvent dans ce manuscrit toute ma reconnaissance et le
signe que je suis enfin arrivé au bout.

Enfin je ne saurais exprimer en quelques mots tout ce que je dois à ma femme, pour le soutien
et les encouragements constants qu’elle m’a apporté tout au long de ce travail.

A ma femme, Florence
SOMMAIRE

RESUME
ABSTRACT
AVANT-PROPOS
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE.........................................................................................................................1
CHAPITRE I.........................................................................................................................................................5
PRESENTATION DE LA DAE ET ANALYSE DU CAHIER DES CHARGES
I - 1 LA DIRECTION ASSISTEE ELECTRIQUE..........................................................................................................5
I - 2 CAHIER DES CHARGES.................................................................................................................................7
I - 2.1 Contraintes mécaniques......................................................................................................................7
I - 2.2 Contraintes électriques.......................................................................................................................8
I - 2.3 Autres contraintes du cahier des charges...........................................................................................9
I - 3 CHOIX DE L’ENSEMBLE CONVERTISSEUR STATIQUE - MOTEUR - ALIMENTATION.........................................9
I - 3.1 Convertisseur statique........................................................................................................................9
I - 3.2 Structure du moteur..........................................................................................................................11
I - 3.2.1 Type de machine.........................................................................................................................................11
I - 3.2.2 Les aimants permanents..............................................................................................................................12
I - 3.2.3 Machines synchrones à aimants permanents...............................................................................................14
I - 3.3 Alimentations....................................................................................................................................15
I - 3.3.1 Alimentation et ondulations de couple........................................................................................................16
I - 3.3.2 Capteurs......................................................................................................................................................18
I - 3.3.3 Alimentation et dimensionnement du moteur.............................................................................................18
I - 3.3.3.a Dimensionnement du moteur suivant l’alimentation...........................................................................19
I - 3.3.3.b Comportement en charge : aspect électrique et thermique..................................................................20
I - 3.4 Conclusion........................................................................................................................................22
I - 4 DIMENSIONNEMENT DU REDUCTEUR MECANIQUE.....................................................................................22
I - 4.1 Dimensionnement de la vis à billes...................................................................................................22
I - 4.2 Impact du rapport de réduction sur le dimensionnement du moteur et l’inertie ramenée au volant 25
I - 5 DEFINITION DE LA CONTRAINTE INERTIELLE.............................................................................................27
I - 5.1 Etude couplée entre la raideur du capteur de couple et l’inertie du moteur....................................27
I - 6 CONCLUSION.............................................................................................................................................30
CHAPITRE II.....................................................................................................................................................31
DIMENSIONNEMENT ET CARACTERISATION ELECTROMAGNETIQUE DU MOTEUR
II - 1 DIMENSIONNEMENT DES MOTEURS SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS............................................31
II - 1.1 Modèle analytique...........................................................................................................................33
II - 1.2 Démarche de dimensionnement.......................................................................................................36
II - 1.3 Adaptation du bobinage à la tension d’alimentation.......................................................................39
II - 1.4 Défluxage des moteurs synchrones à aimants permanents..............................................................40
II - 1.5 Calcul de Champs avec FLUX2D....................................................................................................42
II - 2 DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR ELECTRIQUE.........................................................................................44
II - 2.1 Pertes et dimensionnement..............................................................................................................44
II - 2.2 Evaluation des pertes.......................................................................................................................45
II - 2.3 Echanges thermiques.......................................................................................................................46
II - 2.4 Ailettes de refroidissement...............................................................................................................49
II - 2.5 Modélisation thermique du moteur..................................................................................................52
II - 2.6 Résultats de dimensionnement du moteur........................................................................................53
II - 2.6.1 Dimensionnement avec échanges par conduction et par convection.........................................................54
II - 2.6.2 Dimensionnement avec échanges par conduction, convection et par rayonnement...................................56
II - 2.6.3 Moteur comportant des ailettes de refroidissement....................................................................................58
II - 2.6.4 Impact de la température ambiante............................................................................................................61
II - 2.6.5 Impact de la raideur du capteur de couple.................................................................................................62